四川省红山铁矿废石堆积体稳定性分析评价及防治对策建议

赵仕权

(四川省华地建设工程有限责任公司,四川 成都 610061)

红山铁矿采矿历史悠久,矿山开采过程中对矿区地质环境、生态环境造成了严重的破坏,引发了地形地貌与土地资源破坏,水土环境污染,废石堆积占用土地资源等地质环境问题,尤以废石堆积体潜在的破坏变形危害最大,根据矿区矿山地质环境与废石堆特征,在分析其破坏模式进行稳定性评价的基础上,提出了防治对策建议,从而达到消除矿渣堆潜在变形地质灾害隐患[1]。

1 矿山开发历史及现状

红山铁矿始建于1985年,自建矿以来,露天开采共剥离出100.7×104m3废石,其中部分用于采坑回填,地下采场及井巷施工共产生废石16.03×104m3,其中大部分用于回填采空区,仅有少量运出地表,选矿厂粗选废石11.43×104m3。除去用于回填采空区废石外,堆砌于地表废石量仍达86.26×104m3。现矿山开采已全面转入地下坑采,仅有小规模的零星露天开采。

目前,在矿区共计形成了5处废石堆,由于废石堆不规范堆放,造成了生态环境破坏及潜在次生地质灾害。

2 各废石堆基本特征

1#废石堆堆积方量54.9×104m3,堆积厚度约15 m,堆积体主要为碎块石土,稍—中密状,其堆积区原始斜坡坡度较缓(即堆积体与原始地面接触界面,一般坡度20°～25°),整体稳定性较好。其变形破坏特征主要表现为雨季洪水冲刷下,因填方边坡高陡,局部发生小规模滑塌或拉裂沉陷变形。其危害对象主要为矿山公路,影响矿山的正常生产,另外,如果发生集中降雨,还可能引发坡面泥石流,危及斜坡下方8户农户43人安全。

2#废石堆堆积方量3.5×104m3,堆积厚度约12 m,堆积体主要为碎块石土,松散状,其变形特征也主要为边坡前缘矿山公路内侧填方边坡局部滑塌变形。其危害对象主要为矿山公路,影响矿山的正常生产,另外,如果发生集中降雨,还可能引发小规模坡面泥石流,危及斜坡下方2户农户10人安全。

3#废石堆堆积方量2.0×104m3,堆积厚度约6 m,4#废石堆3.2×104m3,堆积厚度约8 m,2处堆积体主要为碎块石土,松散状,其变形特征主要为边坡前缘填方边坡局部滑塌变形。堆积体前缘为冲沟,在雨季洪水冲刷掏蚀作用下可能出现滑塌加剧的现象,并可能被沟水冲下引发局部的泥石流灾害,对下游矿区公路、农田、采矿平硐等造成较严重的威胁。

5#废石堆堆积方量6.93×104m3,堆积厚度约7 m,堆积体为碎块石土,松散状,其变形特征也主要为边坡前缘填方边坡局部滑塌变形,在雨季洪水冲蚀下部分可能被洪水冲下引发局部的泥石流灾害,对下游农田和沟道附近的12户农户61人造成较严重的威胁。其废石堆堆积特征及威胁对象见典型照片1- 4。

照片1 1#废石堆堆积特征Photo 1 Accumulation characteristics of No.1 waste rock heap

照片2 5#废石堆堆积特征Photo 2 Accumulation characteristics of No.5 waste rock heap

照片3 5#废石堆危及下游农户和耕地Photo 3 No.5 waste rock heap endangers downstream farmersand cultivated land

照片4 4#废石堆危及矿区公路Photo 4 No.4 waste rock heap endangers road in mining area

3 废石堆稳定性计算和评价

3.1 评价原则和方法

各废石堆稳定性评价在野外勘查认真调查其变形破坏迹象、堆积体形态结构特征、堆积体下伏岩土体结构特征等的基础上,测绘各堆积体典型代表性剖面,建立稳定性评价模型,确定计算工况,选择合理的计算参数。

根据野外勘查取得的资料,各废石堆可能的变形破坏模式主要为两种：第一种是沿与原始地面的接触界面发生滑移变形；第二种是边坡前缘的局部滑塌变形。

对第一种变形主要采用不平衡传递系数法对其稳定性进行计算和评价,对第二种变形则主要通过类比相似矿山废石堆积稳定休止角的情况进行定性评价[2]。

稳定系数计算公式：

(1)

剩余下滑力计算公式：

Pi=Pi-1ψi-1+Fst·Ti-Ri

其中：Ri=(Wicosαi-Fsinαi)tanφi+CiLi；

Ti=Wisinαi+Fcosαi；

ψj=cos(αi-αi+1)-sin(αi-αi+1)tanφi+1；

Wi=γ·si；

F=AWi/g。

式中：Fs为稳定系数；Fst为滑坡稳定性安全系数,取1.05；Wi为第i块段滑体所受的重力(kN/m)；Ri为作用于第i块段的抗滑力(kN/m)；Ti为作用于第i块段的滑动分力(kN/m)；Ci为第i块段土的粘聚力(kPa)；φi为第i块段土的内摩擦角(°)；ψi为第i条块剩余下滑力传递至i+1块段时的传递系数(j=i时)；αi为第i条块滑面倾角(°)；γ为土体的天然重度(kN/m3)；si为第i块段断面积(m2)；Li为第i块段滑动面长度(m);F为地震力(kN/m)；A为地震加速度(m/s2)；g为重力加速度(取g=9.81 m/s2)。

3.2 计算参数和工况的确定

据红山铁矿的勘查资料,铁矿石的重度一般为38 kN/m3左右,而围岩重度一般为30.4 kN/m3左右,但堆积体孔隙度一般较大,综合取天然重度18.3 kN/m3、饱和容重20.5 kN/m3。

其抗剪强度的确定主要参照邻近相似矿山实验成果并结合经验值和反算值综合确定。

根据上述情况,综合确定的各堆积体潜在滑移面抗剪强度指标值详见表1。

表1 各废石堆稳定性计算采用抗剪强度参数统计表Table 1 Statistical table of shear strength parameters is used forstability calculation of waste rock piles

3.3 计算工况的确定

根据堆积体可能发生整体失稳滑移破坏的可能条件,本次计算选择四种工况进行稳定性计算和评价：工况Ⅰ为自然工况,工况Ⅱ为部分饱水工况,工况Ⅲ为地震工况,工况Ⅳ为部分饱水+地震工况。

3.4 稳定性计算模型的确定

由于各废石堆成分均为松散的碎块石堆积,其孔隙度大,属透水而不含水的地层,而下部原始坡面的残坡积土属相对隔水的地层,降雨入渗易于沿此接触面径流,因而该面也是堆积体下部最软弱的界面和最可能发生破坏的潜在滑移面,因而各废石堆稳定性评价均以此面为潜在滑移面建立计算模型(图1)。

图1 废石堆典型滑面稳定性计算条分图Fig.1 Slice diagram for stability calculation oftypical sliding surface of waste rock heap

3.5 稳定性计算

根据计算参数、计算工况和计算模型,计算求得各废石堆稳定性系数，详见表2。

3.6 废石堆整体稳定性的评价

如表2,各废石堆天然状态下稳定性系数为1.592～3.342,饱水工况下为1.202～2.342,地震工况下为1.511～2.979,饱水+地震工况下为1.141～2.093,可见各矿石堆整体稳定性均较好,处于稳定或基本稳定状态。

表2 各废石堆稳定性计算结果统计表Table 2 Statistical table of stability calculation results of waste rock piles

地震状态；工况Ⅳ为部分饱水+地震状态。

同时,对比各废石堆稳定系数可见,以3#废石堆稳定性最差,5#废石堆上部堆积体次之,规模最大的1#废石堆稳定性再次,而5#废石堆下部的堆积体稳定性最好。通过这些稳定性对比,在以后矿山生产中,切忌对这些稳定性相对较差的堆积体进行坡脚开挖等破坏活动,否则可能引发其发生整体滑移破坏。

基于上述对各废石堆稳定性的基本认识,其矿山环境恢复治理工程中主要应采取以保护为主的措施。

3.7 前缘填方边坡稳定性的评价

废石堆前缘填方边坡的稳定性与边坡的高度和坡度有关,在一定高度条件下,当坡度小于废石堆稳定休止角时,可认为其基本稳定,否则就可能出现不同程度的滑塌变形。边坡稳定休止角主要与边坡高度、废石堆的成分、颗粒粒径和形态特征等有关。

1#废石堆规模最大,边坡高度也最大,这是不利于边坡稳定的因素。废石堆物质成分复杂,含有露天开采剥离的表土和矿体顶底板岩石、矿体内夹石等,因含有一定的土质成分,具有一定的内聚力,坡体上局部覆盖有粘性土夹碎块石并恢复了一定的植被,这些因素对边坡的稳定有利。边坡坡度一般36°～38°,在自然状态下基本接近稳定休止角,因而是基本稳定的,但从目前该边坡在降雨冲刷及地震作用下仍有局部滑塌等现象分析,在不利条件下其稳定休止角可能更小。

2#～4#废石堆规模均较小,边坡高度不大,且堆积体组成成分复杂,颗粒粒径悬殊,碎块石多呈棱角状,对边坡的稳定有利。但物质成分几乎以碎块石为主,所含粘性土成分很少,堆积体内聚力接近于0,为边坡稳定的不利因素。边坡坡度一般35°～37°,在自然状态下基本接近稳定休止角,因而是基本稳定的,但从目前该边坡在降雨冲刷及地震作用下仍有局部滑塌等现象分析,在不利条件下其稳定休止角可能更小。

5#废石堆规模也较大,边坡高度也较大,且堆积体成分为选厂粗选矿石产生的废石,组成成分及颗粒大小都较为均匀,这些因素都不利于边坡的稳定,因而其稳定休止角相对较小。该边坡坡度一般30°,但下部堆积体坡度达到43°,因而上部堆积体边坡在自然状态下基本接近稳定休止角,因而是基本稳定的,但从目前该边坡在降雨冲刷及地震作用下仍有局部滑塌等现象分析,在不利条件下其稳定休止角可能更小,而下部堆积体边坡坡度大于稳定休止角,虽其高度很小,但不利条件下边坡坡面发生滑塌的可能性仍较大。

综合上述分析,废石堆在自然工况下处于基本稳定—欠稳定状态,在降雨和地震工况下处于欠稳定状态。各边坡的稳定性评价情况详见表3。

表3 各废石堆前缘边坡稳定性评价一览表Table 3 List of slope stability evaluation at the front edge of waste rock piles

3.8 变形发展趋势及危害性

由稳定性分析计算结果可知废石堆在自然工况下处于基本稳定—欠稳定状态,在降雨和地震工况下处于欠稳定状态。长期暴雨对废石堆的稳定性影响较大。根据目前调查废石堆处于整体稳定状态,零星的前缘边坡局部滑塌主要发生在暴雨与连续降雨期间,与计算评价结果相吻合,废石堆多顺坡分布,前缘临近沟谷,组成物质结构松散,渗透性强,表部植被稀少,坡面及其上部周边无排水措施,在暴雨或持续强降雨作用下,水流下渗,软化土体使其强度降低,重度增加。在前缘坡脚沟谷水流冲刷掏蚀、降雨以及人类工程活动等不利因素组合叠加影响下,存在发生较大规模变形的可能。根据废石堆形态与变形特点分析,将来变形破坏具有牵引式滑移特点,即废石堆前缘边坡首先产生局部滑塌,进而引发上部坡体产生大规模的失稳滑动变形破坏,将直接对矿区公路、房屋、农户、土地等造成严重的危害。

4 防治对策建议

根据废石堆整体稳定性分析评价与变形发展趋势特点及其危害,为了消除地质灾害隐患,改善矿山环境(结合建设绿色矿山的需求),提出以下防治对策建议[3]。

(1) 加强行政管理,严禁人为开挖各废石堆坡脚、建房加载、后期二次堆积加载等因素,避免引发各废石堆整体失稳滑动破坏。

(2) 对松散滑塌体进行清理。

(3) 在废石堆顶部修建截排水沟,减少降雨入渗堆积体,提高其稳定性。

(4) 针对各废石堆前缘边坡在降雨和地震作用下发生局部滑塌的变形和危害,在各废石堆前缘修建挡土墙进行支挡。

(5) 在堆积体平台上部进行场地平整,覆土绿化,恢复生态,同时通过表层覆盖粘性土的隔水作用减少降雨入渗堆积体。

5 结论

(1) 1#～5#废石堆堆积方量较大,形成了高陡填方边坡,废石堆物质组成成分复杂,颗粒分布不均匀,结构较松散。在降雨和地震工况下,前缘边坡局部滑塌,进而引发上部坡体产生大规模的失稳滑动变形破坏,将直接对矿区公路、房屋、农户、土地等造成严重的危害。

(2) 根据目前调查废石堆处于整体稳定状态,由稳定性分析计算结果可知废石堆在自然工况下处于基本稳定—欠稳定状态,在降雨和地震工况下处于欠稳定状态。

(3) 根据废石堆形态与变形特点分析,将来变形破坏具有牵引式滑移特点,即废石堆前缘边坡首先产生局部滑塌,进而引发上部坡体产生大规模的失稳滑动变形破坏。

(4) 根据废石堆整体稳定性分析评价与变形发展趋势特点及其危害,建议采取加强行政管理、对松散滑塌体进行清理、修建截排水沟、修建挡土墙、覆土绿化相结合的防治对策。